وقتی آژانس مدیریت آب محلی ساحل مورد علاقه شما را به دلیل کیفیت ناسالم آب می بندد، آزمایش هایی که بر اساس آنها تصمیم می گیرند چقدر قابل اعتماد هستند؟ همانطور که مشخص است، آن تست ها و همچنین استانداردهای پشت آن ها، در دهه های گذشته به روز نشده اند. اکنون دانشمندان آزمایشگاه ملی لارنس برکلی (آزمایشگاه برکلی) روشی بسیار دقیق و مبتنی بر DNA را برای شناسایی و تشخیص منابع آلودگی میکروبی در آب ایجاد کرده‌اند.
با استفاده از PhyloChip برنده جایزه، دستگاهی به اندازه کارت اعتباری که می تواند حضور بیش از 60000 گونه باکتری و باستانی را تشخیص دهد، مشخص شد روش جدید نسبت به روش های مرسوم در ارزیابی سلامت حساس تر است. خطراتدر آزمایش‌هایی در حوضه رودخانه روسیه در کالیفرنیای شمالی، محققان آزمایشگاه برکلی مواردی را یافتند که در آن روش آنها خطرات بالقوه سلامت انسان را شناسایی کرد که آزمایش‌های نشانگر مدفوع معمولی نتوانسته بودند آنها را شناسایی کنند. برعکس، آنها همچنین مواردی را یافتند که در آن آزمایش‌های مرسوم باکتری‌هایی را که احتمالاً خطری برای سلامتی انسان نداشتند، شناسایی کردند.
این تحقیق توسط اریک دوبینسکی و گری اندرسن، اکولوژیست‌های میکروبی در آزمایشگاه برکلی هدایت شد و اخیراً در مجله Water Research در مقاله‌ای با عنوان «ردیابی منبع میکروبی در حوزه‌های آبخیز آسیب‌دیده با استفاده از PhyloChip و طبقه‌بندی یادگیری ماشینی» منتشر شد. " استیون بوتکوس از هیئت کنترل کیفیت آب منطقه‌ای ساحل شمالی، که بخشی از این تحقیق را پشتیبانی کرد، نیز یکی از نویسندگان آن بود.
دوبینسکی گفت: "با PhyloChip، در یک آزمایش شبانه می‌توانیم تصویر کاملی از میکروارگانیسم‌ها در هر نمونه به دست آوریم." به جای هدف قرار دادن یک ارگانیسم، ما اساساً یک اثر انگشت از جامعه میکروبی منابع بالقوه در آن نمونه دریافت می کنیم.بنابراین تصویر جامع تری از آنچه در حال وقوع است به ما می دهد. این یک روش جدید برای ردیابی منبع است."
کاری که سازمان های آب محلی در حال حاضر انجام می دهند جمع آوری نمونه های آب، کشت باکتری ها در طول شب و سپس بررسی سطح رشد دو نوع باکتری E.coli و Enterococcus است که فرض می شود شاخص های آلودگی مدفوع هستند.
قدرت PhyloChip
اما، این روش بین منابع تفاوتی قائل نمی شود. این باکتری ممکن است از انسان، گاو، اردک، فاضلاب یا حتی پوشش گیاهی در حال پوسیدگی منشاء گرفته باشد.
دوبینسکی گفت: «این آزمایش‌ها برای دهه‌ها مورد استفاده قرار گرفته‌اند و نسبتاً ابتدایی هستند. "در دهه 1970، زمانی که قانون آب پاک تدوین شد و ما اساساً فاضلاب را به آب‌هایمان سرازیر می‌کردیم، این آزمایش‌ها واقعاً خوب کار کردند. مطالعات اپیدمیولوژیک ارتباط این باکتری‌ها را با سطح بیماری افرادی که از آب استفاده می‌کردند نشان داد. لزوما شما را بیمار نمی کند، اما آنها در فاضلاب و مدفوع یافت می شوند.به همین دلیل است که آنها اندازه گیری می شوند."
از آنجایی که آلودگی ناشی از منابع نقطه‌ای - منابع منفرد قابل شناسایی مانند فاضلاب - به مرور زمان پاکسازی شده است، نگرانی‌های نوظهور به منابع غیرنقطه‌ای یا منابع پراکنده در سرتاسر حوزه آبخیز مانند زمین‌های کشاورزی تبدیل شده است.
دوبینسکی افزود: «تصویر اکنون بسیار پیچیده‌تر از آن زمان است، زمانی که نگرانی واقعاً منابع نقطه‌ای بود.»
PhyloChip که توسط اندرسن و چند دانشمند دیگر آزمایشگاه برکلی ساخته شده است، برای تعدادی از اهداف پزشکی، کشاورزی و زیست محیطی، از جمله درک آلودگی هوا، اکولوژی صخره های مرجانی، و شرایط محیطی استفاده شده است. خلیج مکزیک پس از نشت نفت BP. با 1 میلیون کاوشگر، میکروب ها را بر اساس تغییرات یک ژن خاص و بدون نیاز به کشت شناسایی می کند.
"حدود هفت سال پیش ما کار کیفیت آب را شروع کردیم و متوجه شدیم که PhyloChip می تواند یک روش اساسی جدید و بهبود یافته برای انجام ردیابی منبع ارائه دهد."
کتابخانه مدفوع
تعیین منبع هر پاتوژن خاص کار ساده ای نیست. در بیشتر موارد، یک میکروب منفرد نشانگر قطعی یک حیوان یا منبع دیگر نیست. دوبینسکی گفت: «جامعه میکروبی پیچیده است. "یک گاو ممکن است 1000 موجود زنده داشته باشد."
پس اندرسن و دوبینسکی ایده ای داشتند. اندرسن گفت: «ما لاله کوته، یک کارآموز در آن زمان و اکنون کارمند آزمایشگاه، داشتیم که به اطراف می دوید و اساساً مدفوع انواع حیوانات را جمع آوری می کرد. کاری که ما از آن زمان تاکنون انجام داده‌ایم، ایجاد یک کتابخانه مرجع از جوامع میکروبی است که در انواع مختلف مدفوع وجود دارد - ما گاو، اسب، راکون، انسان، انواع مختلف پرندگان، خوک‌ها، شیرهای دریایی و سایر حیوانات را داریم. ما از آن کتابخانه برای ایجاد یک مدل استفاده کردیم."
روش جدید نمونه ناشناخته را می گیرد و آن را با این کتابخانه مرجع میکروبی مقایسه می کند. اندرسن گفت: «ما از PhyloChip به گونه ای استفاده کرده ایم که قبلاً با استفاده از مدل های یادگیری ماشینی برای تجزیه و تحلیل داده ها به منظور شناسایی و طبقه بندی منابع استفاده نشده است."این اساساً به شما یک احتمال آماری می دهد که یک جامعه میکروبی از یک منبع خاص آمده است."
آنها روش خود را با مقایسه آن با حدود ۴۰ روش دیگر ردیابی منبع میکروبی در یک مطالعه کالیفرنیا تأیید کردند. دوبینسکی گفت: «ما تنها روشی بودیم که می‌توانستیم همه منابع را شناسایی کرده و آنها را درست به دست آوریم.»
اگر منبع حیوانی است که در کتابخانه مرجع نیست، روش آنها همچنان می تواند شما را در جهت درست راهنمایی کند. دوبینسکی گفت: «به عنوان مثال، در آن مطالعه، یک نمونه مرغ بود. ما جوجه ها را تجزیه و تحلیل نکرده بودیم، اما غازها، مرغان دریایی و کبوتر داشتیم. ما هنوز هم توانستیم تشخیص دهیم که نمونه یک پرنده است.»
در آزمایش های گسترده در سراسر حوضه آبریز رودخانه روسیه، که با قانون آب پاک مطابقت ندارد، محققان آزمایشگاه برکلی آلودگی گسترده ای توسط منابع انسانی نزدیک به مناطقی که جوامع به سپتیک تانک های قدیمی متکی هستند، دریافتند..
آنها همچنین بلافاصله پس از یک جشنواره جاز آخر هفته متوجه آلودگی انسانی قابل توجهی شدند، در حالی که آزمایش با روش های مرسوم سیگنال بسیار ضعیف تری را پس از یک تاخیر زمانی چند روزه به همراه داشت. دوبینسکی گفت: «روش ما نسبت به آزمایش‌های شاخص مدفوع نسبت به آلودگی انسانی حساس‌تر است.»
مراحل بعدی
تیم اکنون در حال کار بر روی شناسایی جامعه میکروبی E. coli و Enterococci طبیعی است و از هاوایی با آب های گرم آن به عنوان محل آزمایش استفاده می کند. دوبینسکی گفت: "آنها می توانند به طور طبیعی در رسوبات و کلپ های در حال پوسیدگی و پوشش گیاهی رخ دهند." "معلوم است که آنها انجام می دهند، اما هیچ کس آزمایشی برای نشان دادن قطعی آن ایجاد نکرده است."
محققان همچنین می توانند بررسی کنند که آیا آب و هوا بر جوامع میکروبی تأثیر می گذارد یا خیر. او گفت: "آیا یک گاو هاوایی از نظر ترکیب باکتری های مدفوع شبیه گاو کالیفرنیایی است؟ این یک سوال خوب است و ما می توانیم آن را پیدا کنیم."
آنها از نزدیک با آژانس حفاظت از محیط زیست ایالات متحده (EPA) کار می کنند، که به دنبال فناوری های جدید برای آنچه "انطباق نسل بعدی" می نامد، است. در نهایت هدف این است که روش آنها را توسعه دهند - احتمالاً با نسخه کوچک شده PhyloChip - تا جایی که بتوان از آن در هر مکانی و توسط افراد غیر متخصص به طور جهانی استفاده کرد.
دوبینسکی می‌گوید که این روش باید برای مسئله رو به رشد شکوفه‌های جلبکی نیز مفید باشد، به عنوان مثال، فرآیندهای شکل‌گیری آنها، دینامیک میکروبی قبل و بعد از شکوفایی، و به طور خاص، رواناب از دام‌ها. تولید در غرب میانه مربوط به شکوفه های جلبکی در دریاچه های بزرگ است، سوالی که آنها در حال بررسی با EPA هستند.
